Síntese do capítulo

A informação recolhida nesta análise bibliográfica ajudou também à escolha dos materiais e à definição dos procedimentos a utilizar no trabalho experimental desta dissertação, que tinha como objetivo avaliar o potencial de arrefecimento do ambiente de materiais porosos humedecidos.

• Os materiais alvo de estudo nos trabalhos analisados foram: vários tipos de cerâmica porosa (He e Hoyano 2009, He e Hoyano 2010, He e Hoyano 2011), areia siliciosa, seixo, xisto silicioso e cinzas vulcânicas (Wanphen e Nagano 2009). Também foram alvo de estudo do desempenho de arrefecimento, fachadas ventiladas com um sistema de pulverização

incorporado (Naticchia et al. 2010). Os resultados apresentados por estes autores justificam assim, juntamente com a disponibilidade de materiais, que fosse estudado na parte experimental desta dissertação o potencial de arrefecimento de materiais rígidos e granulares como o tijolo cerâmico, a areia siliciosa e o silicato de cálcio.

• Os ensaios de evaporação realizados consistiram, num caso (He e Hoyano 2010) em colocar a parte inferior da amostra em contacto com a água (cerca de 10% da altura da amostra), sendo a quantidade de água evaporada depois estimada através de pesagens. Noutro caso (Wanphen e Nagano 2009) as amostras foram pulverizadas, com uma massa de água pré- definida, procedendo-se posteriormente também a sucessivas pesagens, de modo a estimar a taxa de evaporação. Também na campanha experimental desta dissertação se irão realizar ensaios em que a taxa de evaporação será avaliada através de pesagens sucessivas dos provetes.

• Os fatores de influência avaliados (He e Hoyano 2009, He e Hoyano 2010, He e Hoyano 2011, Naticchia et al 2010. e Wanphen e Nagano 2009) foram a temperatura e HR que variavam de acordo com as condições climáticas pretendidas, na tentativa de simular diversos ambientes. A radiação solar também foi um fator tido em consideração, tendo sido estudada a sua atuação através da ausência ou não de sombreamento (He e Hoyano 2010) ou simulada através de uma lâmpada de iodetos (Wanphen e Nagano 2009). Por conseguinte, para o estudo desta dissertação optou-se por avaliar o comportamento evaporativo de diversos materiais, sujeitos a condições ambientais (T e HR) controladas ou expostos a condições exteriores de verão (com ou sem incidência direta do sol sobre os materiais).

• Relativamente aos parâmetros medidos, a velocidade do vento foi controlada com recurso a

anemómetros e a HR, avaliada através de sensores de humidade (He e Hoyano 2010). A

temperatura superficial foi medida com recurso a termopares (He e Hoyano 2010, He e Hoyano 2011, Naticchia et al. e Wanphen e Nagano 2009) ou com recurso a uma câmara de IV (termografia) (He e Hoyano 2009, He e Hoyano 2010, He e Hoyano 2011 e Naticchia et al. 2010). No entanto, embora no estudo efetuado por Wanphen e Nagano (2009) tivessem sido utilizados termopares do tipo T em materiais incoerentes, na presente dissertação optou-se por utilizar um equipamento de IV que permite a leitura da temperatura superficial sem contacto direto.

Em suma, da bibliografia analisada foi possível retirar as conclusões principais que se apresentam no quadro 2.7.

Quadro 2.7 - Principais conclusões retiradas da bibliografia analisada. Autores e

data Tema Principais conclusões no presente enquadramento

He e Hoyano (2009)

Paredes ventiladas constituídas por tijolo

furado humedecido

O sistema evaporativo avaliado é de facto eficiente, contribuindo para uma diminuição da temperatura superficial entre 2 a 4ºC, comparativamente com as temperaturas superficiais registadas nas paredes compostas por elementos secos. Em relação à temperatura

ambiente (33.1ºC) permite uma redução de 4ºC. He e Hoyano

(2010) He e Hoyano

(2011)

Paredes constituídas por tubos cerâmicos

A temperatura superficial nos tubos cerâmicos humedecidos, em dias sucessivos de sol, mantém-se abaixo da temperatura do ar (cerca de

2ºC), a qual tomou o valor de 30.2ºC.

Naticchia et al. (2010) Pulverização do material de isolamento térmico em caixa-de-ar ventilada

O silicato de cálcio mostrou ser um material que absorve rapidamente a água e liberta-a lentamente; dada a baixa massa volúmica do material apresenta uma boa resistência à água pulverizada. Este material permitiu uma redução da temperatura superficial de 2ºC em

relação à temperatura ambiente (22.8ºC).

Wanphen e Nagano (2009) Utilização de materiais granulares humedecidos em coberturas

Relativamente à diminuição da temperatura proporcionada pela utilização dos materiais estudados, verificou-se que em dias quentes

de verão o xisto silicioso permite uma redução da temperatura superficial de cerca de 9ºC e o seixo branco permite uma redução de

aproximadamente 7ºC comparativamente com materiais utilizados correntemente (como por exemplo a argamassa de cimento).

3 Campanha Experimental

3.1 Introdução

A campanha experimental teve como base a realização de ensaios laboratoriais em condições controladas e de ensaios no exterior, para avaliar o potencial de arrefecimento evaporativo de materiais porosos selecionados. Estes materiais são, nuns casos, usualmente utilizados em elementos horizontais (como por exemplo em coberturas planas) e, noutros casos, utilizados em elementos verticais (como por exemplo paredes). A escolha dos materiais teve, como principal critério de seleção, a elevada porosidade aberta destes. A secagem está diretamente relacionada com a porosidade aberta, uma vez que é através deste tipo de poros que o transporte de água se efetua, bem como a ligação com o exterior (Pereira 2008). Realizaram-se vários ensaios de evaporação com monitorização da temperatura superficial (secção 3.3), nomeadamente: ensaios preliminares para avaliação da emissividade devido a diferenças de cor entre materiais no estado seco e materiais no estado húmido (ensaio A), ensaios de secagem para avaliação do arrefecimento evaporativo, numa sala condicionada a 20ºC e 50% de HR (ensaio B) e no exterior (ensaio C).

Neste capítulo são descritas as metodologias e procedimentos relativos à preparação dos provetes e à realização dos ensaios, e discutidos os resultados obtidos.

3.2 Materiais

3.2.1 Caraterísticas

A seleção dos materiais que foram alvo deste estudo experimental foi influenciada tanto pela informação recolhida aquando da pesquisa bibliográfica, como pelos resultados obtidos no decorrer do projeto de investigação DRYMASS.

Assim sendo, este trabalho incidiu sobre o estudo de 10 materiais distintos e sobre a água destilada, sendo 5 materiais coerentes de construção corrente (pedras naturais, tijolo cerâmico, silicato de cálcio e argamassa de cal aérea) e 5 materiais incoerentes (areia siliciosa de três granulometrias diferentes, celulose e serradura). As caraterísticas dos materiais são descritas no quadro 3.1.

Quadro 3.1 - Descrição dos materiais.

Material Designação Descrição

Calcário bege CB O calcário de cor bege é uma pedra calcária portuguesa de porosidade _{intermédia (Gonçalves et al. 2012).}

Areia siliciosa

Fina A-V 0.08 – 0.16mm _{(fração V)}

Areia siliciosa normalizada segundo a NP EN 196-1. Média A-IV-A 0.30 – 0.50mm _{(fração IV-A)}

Grossa A-I 1.60 - 2.00mm _{(fração I)} Calcário

“Maastricht” M

Pedra calcária de cor amarelada, proveniente da Holanda (Gonçalves et al. 2012). Trata-se de uma pedra composta por microfósseis e por compostos de carbonato microcristalino (De Clercq et al. 2012).

Argamassa de cal

aérea A

A argamassa de cal aérea possui um traço de 1:3 (em volume) e a sua preparação seguiu a EN 1015-2 e a moldagem e cura a EN 1015-11 (Gonçalves et al. 2012).

Tijolo cerâmico

maciço T

O tijolo cerâmico maciço de cor vermelha é fabricado em Portugal pela cerâmica de Vale de Gândara (Gonçalves et al. 2012).

Silicato de cálcio CS L500 O silicato de cálcio, material de cor branca, de referência Promatect – _{L500 foi cedido pela Promat.}

Celulose C

Pasta branca de papel cedida pela Soporcel e posteriormente moída. A moagem foi efetuada por uma bolseira do projeto DRYMASS, com recurso a um moinho de cruz batedora SK100 da Retsch, com uma potência de 1100W. Procedeu-se a dois ciclos de moagem e a malha (quadrada) do moinho utilizada tinha uma dimensão de 1.5mm.

Serradura S

Subproduto resultante do corte da madeira, composto por partículas finas, com dimensão 1mm. A determinação da granulometria das partículas foi efetuada por uma técnica, realizando o ensaio de peneiração, com recurso a uma série de peneiros ASTM de malha quadrada. Este material foi cedido pela carpintaria existente no LNEC.

Água destilada AD -

Em particular, teve-se em consideração os critérios de seleção dos materiais que a seguir se apresentam.

Materiais coerentes:

As pedras naturais selecionadas (calcário “Maastricht” e calcário bege) distinguem-se sobretudo pelo nível distinto de porosidade que apresentam. Estudos realizados anteriormente, nomeadamente Gonçalves et al. (2012), mostram que a taxa de evaporação destes materiais durante

a primeira fase de secagem difere da taxa de evaporação que ocorre numa superfície livre de água. Para o calcário “Maastricht” esta taxa é mais elevada e para o calcário bege mais reduzida, respetivamente, do que a da superfície de água. Segundo De Clercq et al. (2012) a elevada porosidade média do calcário Maastricht, 47,5%, e as dimensões dos poros, têm um enorme contributo para a elevada taxa de evaporação apresentada por este material. Na figura 3.1 é possível observar o calcário “Maastricht” (esquerda) e o calcário bege (direita).

Figura 3.1 - Pedras naturais: calcário "Maastricht" (esquerda) e calcário bege (direita).

• Tijolo cerâmico

O material cerâmico (figura 3.2) é utilizado desde há muito tempo para o arrefecimento evaporativo de espaços, como já foi referido anteriormente neste trabalho. Também estudos atuais demonstraram o grande potencial de arrefecimento evaporativo deste material, nomeadamente os de He e Hoyano (2009), He e Hoyano (2010) e He e Hoyano (2011). Considerou-se, assim, importante estudar o comportamento também do tijolo cerâmico, exemplo deste tipo de material, no âmbito do presente trabalho.

• Argamassa de cal aérea

A utilização da argamassa de cal aérea (figura 3.3) neste estudo deve-se ao facto deste material apresentar não só uma elevada absorção capilar, como também uma elevada permeabilidade ao vapor de água, facilitando a evaporação de água que se encontre o seu interior (Faria 2004). Deste modo contribui para um aceleramento do processo de secagem, favorecendo assim o arrefecimento evaporativo.

Figura 3.3 - Argamassa de cal aérea. • Silicato de cálcio

O silicato de cálcio (figura 3.4) foi também um material alvo de estudo neste trabalho, uma vez que, segundo o artigo referido anteriormente, de Naticchia et al. (2010), este material apresenta características que favorecem o arrefecimento evaporativo.

Materiais incoerentes:

Neste trabalho estudou-se também o comportamento de materiais incoerentes, nomeadamente areias siliciosas com três tipos de granulometria distintas. Anteriormente também já foram efetuados estudos que apresentam resultados satisfatórios deste tipo de material neste âmbito, tais como o de Wanphen e Nagano (2009). Na figura 3.5 é possível observar os diferentes tipos de granulometria de areia siliciosa utilizada.

Figura 3.5 - Areia siliciosa de: granulometria fina (esquerda), granulometria média (centro) e granulometria grossa (direita).

• Celulose

A celulose (figura 3.6) é um material que, para além de ser capaz de absorver água e permitir a evaporação, é também um material económico, eficiente e leve (Malli 2011). Este material, constituído por fibras soltas, serve como meio de contacto com a água em dispositivos de arrefecimento por evaporação (“evaporative pads”), contribuindo para a conservação energética dos edifícios, tendo assim sido utilizado neste trabalho como elemento de referência.

• Serradura

A serradura (figura 3.7) trata-se de um material incoerente, cujo comportamento evaporativo não é conhecido. Devido à sua natureza porosa e também ao facto de poder apresentar vantagens em termos de aproveitamento de resíduos, considerou-se interessante proceder ao seu estudo nesta dissertação.

Figura 3.7 - Serradura. • Água destilada

A água destilada (figura 3.8) serviu como elemento de comparação com os restantes materiais, relativamente à capacidade de evaporação. Contrariamente ao que se pensa normalmente, há trabalhos, como por exemplo Tournier et al. (2000), Rousset-Tournier (2001) e Gonçalves et al. (2012), que mostram que a água não é garantidamente o elemento que apresenta uma maior taxa de evaporação comparativamente com os materiais porosos.

Para caraterizar a absorção de água dos vários materiais coerentes, foram utilizados os resultados obtidos no âmbito do projeto DRYMASS (Gonçalves et al. 2012), No entanto, esse estudo não incluía o calcário “Maastricht”. O ensaio de absorção de água por capilaridade foi realizado de acordo com o procedimento II.6 da RILEM (1980). A quantidade de água absorvida por unidade de

superfície (Mw) ao fim de um determinado tempo (t), em kg/m2, obteve-se dividindo a diferença entre a

massa do provete num determinado instante t (M), em kg, e a massa do provete no estado seco (M0),

em kg, pela área da face do provete em contacto com a água (S), em m2, de acordo com a equação

3.1.

=

De seguida, procedeu-se ao traçado de um gráfico expressando a quantidade de água

absorvida por unidade de área (kg/m2) em função da raiz quadrada do tempo (h1/2). A partir do

primeiro troço linear reto da curva obtida, que se designa por curva de absorção capilar, obteve-se o coeficiente de absorção capilar ou coeficiente de capilaridade que corresponde à inclinação do troço. No caso do calcário Maastricht, o valor do coeficiente de absorção capilar, determinado por Slízková e Frankeová (2012) através de ensaios laboratoriais, é apresentado no quadro 3.2. No entanto, o procedimento utilizado não é conhecido.

A porosidade capilar (%) dos vários materiais também foi avaliada no âmbito do projeto DRYMASS (Gonçalves et al. 2012), seguindo aproximadamente o procedimento II.1 da RILEM (1980). A porosidade capilar foi estimada de acordo com a equação 3.2.

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=

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Em que Vw é o volume de água absorvida após 48 horas de imersão de cada material e Vs corresponde ao volume de cada amostra. Este volume foi medido com recurso a uma craveira digital. A dimensão dos poros foi determinada através de porosimetria por intrusão de mercúrio (MIP) com o equipamento Autoscan60 da Quantachrome, numa faixa de pressão entre 0 e 320Mpa, seguindo a norma ASTM D4404-84, sendo as determinações sempre repetidas (Brito e Gonçalves 2013). Não foi possível obter a curva de porometria do calcário Maastricht, dada a enorme variabilidade da dimensão dos poros deste (De Clercq et al. 2013), pois não se dispunha de equipamento específico para a determinação da mesma. O ensaio consiste na aplicação de pressão sobre o mercúrio, de modo a que este penetre nos poros. A partir do volume de poros penetrado pelo mercúrio e respetiva pressão aplicada, é traçada a curva de porometria.

Assim, os materiais coerentes utilizados nesta tese apresentam as caraterísticas indicadas no quadro 3.2 e na figura 3.9, que reportam a sua porosidade capilar, coeficiente de capilaridade e porometria.

Quadro 3.2 - Características dos materiais coerentes. Material Designação Porosidade Capilar

(% volume) Coeficiente de Capilaridade (kg/m

2_.h1/2₎

Calcário bege CB 13.5 ± 0.9 (1) _{0.043 ± 0.005} (1)

Calcário “Maastricht” M 42.7 ± 1.2 (2) 0.17 (5)

Argamassa de cal aérea A 20.8 ± 0.4 (2) 0.13 ± 0.01 (3)

Tijolo cerâmico T 19.6 ± 0.2 (1) 0.13 ± 0.01 (1)

Silicato de cálcio CS L500 81.3 ± 0.7 (4) 0.6 ± 0.06 (4)

(1) Gonçalves et al. (2012) (2) Brito e Gonçalves (2013) (3) Brito et al. (2011)

(4) Valores determinados no âmbito do projeto DRYMASS, mas que não foram ainda publicados. (5) Slízková e Frankeová (2012)

Figura 3.9 - Curvas de porometria dos materiais coerentes: CS L500, CB, A e T, determinadas através do MIP (Brito e Gonçalves 2013).

3.2.2 Provetes

As pedras naturais e o tijolo cerâmico foram cortados em provetes de duas dimensões diferentes, consoante os ensaios efetuados. Com recurso a uma máquina de corte (figura 3.10) foram cortados provetes cúbicos de CB, T e M com as dimensões de 50x50x50mm (utilizados nos ensaios de secagem) e provetes prismáticos com as dimensões de 50x50x5mm (utilizados no ensaio preliminar para determinação dos valores de emissividade dos materiais). No caso do CS L500 também se procedeu ao corte de provetes com duas dimensões diferentes, nomeadamente 50x50x35mm, uma vez que a espessura da placa original era de 35mm, não permitindo portanto obter provetes cúbicos com 50 mm de aresta, e 50x50x5mm para o ensaio preliminar. A utilização de materiais de dimensão menor no ensaio preliminar deveu-se simplesmente ao facto de assim se poder minimizar os recursos materiais utilizados, dado que os provetes de dimensões maiores estariam a ser utilizados para outros ensaios. Relativamente ao material A, utilizaram-se apenas provetes com as dimensões de 50x50x50mm, por se tratar de um material bastante friável, que não se consegue cortar.

Figura 3.10 - Máquina de corte.

Após o corte dos materiais, estes foram colocados numa estufa a 60ºC (figura 3.11) durante 24h para garantir que se encontrariam secos quando se procedesse à sua impermeabilização.

Figura 3.11 - Estufa.

Cada provete foi impermeabilizado nas quatro faces laterais que possui (figura 3.12) com uma Resina Epoxi (Icosit K101 da Sika). A resina foi aplicada em duas camadas cruzadas, com um intervalo entre demãos de aproximadamente 24 horas. Optou-se pela utilização desta resina uma vez que apresentou bons resultados em trabalhos anteriores realizados no LNEC, pois é impermeável à água, não escorre durante a aplicação e não migra para o interior do provete.

Figura 3.12 - Impermeabilização lateral dos provetes.

Os materiais incoerentes (areias, serradura e celulose) e a água foram colocados em caixas de acrílico transparente com dimensões interiores de 50x50x35mm (ensaio preliminar) ou

50x50x50mm (ensaios de secagem). No caso dos materiais (à exceção da água) a base das caixas foi previamente perfurada para permitir a absorção capilar e no seu interior foi colocado um papel de filtro para evitar a perda de material através dos furos.